宇宙大爆炸與奇點理論

文/ 聞新

宇宙大爆炸理論（The Big Bang Theory）是現代宇宙學中最有影響的一種學說。它認為，宇宙是由一個致密熾熱的奇點于約150億年前一次大爆炸后膨脹形成的。1927年，比利時天文學家和宇宙學家勒梅特首次提出了宇宙大爆炸假說。1929年，美國天文學家哈勃根據假說提出星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，并推導出星系都在互相遠離的宇宙膨脹說。1946年美國物理學家伽莫夫正式提出大爆炸理論。

▲ 藝術家筆下的宇宙大爆炸

大爆炸理論認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期里，宇宙體系在不斷地膨脹，使物質密度從密到稀地演化，如同一次規模巨大的爆炸。爆炸之初，物質只能以中子、質子、電子、光子和中微子等基本粒子形態存在。宇宙爆炸之后的不斷膨脹，導致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，并復合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星云，星云進一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成今天的宇宙。

目前大部分科學家都支持宇宙大爆炸的理論。宇宙爆炸源于一個奇點，但有趣的是到目前為止，人類對于這個奇點還是一無所知，包括它的形成，以及爆發的誘因。

奇點理論的誕生

1965年，英國科學家彭羅斯發表著名論文《引力坍塌和時空奇點》，與霍金共同創立了現代宇宙論的宇宙奇點理論。后來，霍金與彭羅斯一道將奇點的存在性證明推廣到早期宇宙。

▲ 著名物理學家霍金

霍金-彭羅斯奇點定理：一個時空若充滿以下條件，就必定存在奇點：

1.強能量條件成立。

2.一般性條件成立。

3.滿足時序條件。

4.以下三個條件之一成立：

①存在封閉陷獲面；

②存在緊致無邊非時序點集；

③存在一點，通過該點的所有未來（或過去）方向的類光測地線束的膨脹標量最終將變為負值。

宇宙奇點理論指出，宇宙的最初是奇點，然后發生大爆炸，接著由于大爆炸的能量而形成了一些基本粒子。這些基本粒子又在能量的作用下，逐漸形成了宇宙中的各種物質，這就是目前最有說服力的宇宙圖景理論。

最著名的奇點是黑洞里的奇點，以及宇宙大爆炸處的奇點。在奇點處，所有定律以及可預見性都失效。奇點可以看成空間時間的邊緣或邊界。只有給定了奇點處的邊界條件，才能由愛因斯坦方程得到宇宙的演化。

用奇點區分時間的過去和未來

▲ 彭羅斯

彭羅斯認為，人們至今還沒有了解奇點理論，并且認為該理論應該可以區分時間的過去和未來。而且，宇宙的創造及結束，由于時間參差不齊的情況而有所不同。

最初的時候，時空是在整齊均衡、順暢自然的狀態下產生的；可是到了最后，卻成了滿是黑洞的時空。它們之間的不同，歸根到底全都是由時間箭頭造成的，也就是所謂的時空也是上了歲數了，逐漸變得老化凋零了。

不管怎樣，時間箭頭的起源在于，我們的宇宙是在非常特別的狀態下產生的。至于它的理由究竟是什么，很遺憾，至今仍沒有完整的答案。

宇宙大爆炸之前的奇點

宇宙是由一個奇點爆炸而產生的，宇宙還沒爆炸之前的奇點是什么?

大爆炸理論是這樣描繪的：宇宙是由“奇點”誕生而來。“奇點”是一個溫度和密度奇高的神奇小點，在約150億年前，“奇點”突然爆發，從而形成了現在這個宇宙。這個“奇點”被描繪成體積為零、時間停頓的“點”。

按照彭羅斯的觀點，我們的宇宙膨脹就意味著所有的質量最終都會轉化為能量，到那個時候，時間和空間的概念就蕩然無存了。因此，一個無限大的宇宙可能只是下一個宇宙的起源時一個無限小的點。如此不斷循環，周而復始。

目前很多科學家持有這樣的觀點：時間和空間并不是在大爆炸后才存在的，大爆炸只是開啟了收縮發生前的一段紀元，宇宙的演化可能是循環的，由擴張和收縮這兩種周期在規律地重復著。

▲ 時間箭頭形成了宇宙的最初圖景

▲ 不斷循環和周而復始的宇宙

按照霍金的觀點，大爆炸以前沒有時間和空間。在“大爆炸”之前的瞬間，宇宙是一個“豌豆”狀的微小物體，它懸浮于一個沒有時間的空間內，這個空間經歷了迅速擴張，這種擴張被稱作“膨脹”的時期。這種擴張發生在宇宙“大爆炸”之前極為短暫的一瞬間。

高密度下的爆炸

宇宙創生的那一時刻，即奇點存在的那一時刻，宇宙體積為零，也是就是說，在那樣的宇宙初期還沒有出現星系，即使是星系都重疊在一起我們也很難想象。在宇宙初期，非常小的領域內確實存在超出人類想象力的高密度狀態。

宇宙就是在這種高密度的狀態下發生爆炸的，也就是“Big Bang”。宇宙大爆炸理論，是根據天文觀測研究后得到的一種設想。大約150億年前，宇宙所有的物質都高密度集在一點，有著極高的溫度，因而發生了巨大的爆炸。大爆炸后，物質開始向外大膨脹，就形成了今天我們看到的宇宙。

▲ 大爆炸宇宙模型

關于宇宙大爆炸有兩種假設：第一是愛因斯坦提出的，能正確描述宇宙物質的引力作用的廣義相對論；第二是所謂宇宙學原理，即宇宙中的觀測者所看到的事物既同觀測的方向無關也同所處的位置無關。這個原理只適用于宇宙的大尺度上，而它也意味著宇宙是無邊的。宇宙的大爆炸源不是發生在空間的某一點，而是發生在同一時間的整個空間內。有這兩個假設，就能計算出宇宙從某一確定時間起始的歷史，而在此之前，何種物理規律在起作用至今還不清楚。

▲ 宇宙就像膨脹的氣球，但人類的思維只能停留氣球的表面上，而不能進入到氣球里面去

宇宙膨脹就是空間膨脹

我們把現在的宇宙假設成一個三維的立方體，其邊長為1000萬光年。在這個立方體的長、寬、高三邊上每隔100萬光年放置一個星系，這樣每邊就可以放置10個星系。這個立方體之中就含有1000個星系。

空間膨脹的概念，就是指立方體中含有的星系的個數不變，立方體體積變大。那么宇宙是現在的1/8大小的時候，立方體的邊長是500萬光年，星系的間隔是50萬光年。宇宙是現在的1/1000大小的時候，立方體的邊長變成100萬光年，星系的間隔是10萬光年。

這樣再往過去追溯，星系會越來越集中，星系分布的密度會越來越高。最終，所有的星系都相互重疊在一起。

大爆炸仍然是一個假說

宇宙奇點是指宇宙引力大坍縮滅亡的點，也是宇宙大爆炸誕生點。奇點是一個密度無限大、熱量無限大、溫度無限高、壓力無限大、時空曲率無限大、體積無限小的“點”。奇點理論的基礎理論是宇宙大爆炸，大爆炸是介紹諸多宇宙物理現象的好理論，但目前仍然是一個假說。★